(Luận án tiến sĩ) nghiên cứu tích hợp hệ cảm biến và hệ thống thông tin địa lý phục vụ quản lý tài nguyên và môi trường

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NGUYỄN ANH TUẤN NGHIÊN CỨU TÍCH HỢP HỆ CẢM BIẾN VÀ HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ PHỤC VỤ QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ ĐỊA LÝ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI - 2023 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NGUYỄN ANH TUẤN NGHIÊN CỨU TÍCH HỢP HỆ CẢM BIẾN VÀ HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ PHỤC VỤ QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ ĐỊA LÝ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG Mã số: 9440220 Xác nhận Học viện Khoa học Công nghệ Người hướng dẫn (Ký, ghi rõ họ tên) Người hướng dẫn (Ký, ghi rõ họ tên) PGS.TS Lê Trung Thành TS Nguyễn Thanh Hoàn Hà Nội - 2023 i Lời cam đoan Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận án trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Hà Nội, ngày tháng năm 2023 Tác giả luận án Nguyễn Anh Tuấn ii Lời cảm ơn Luận án thực thành công Khoa Địa lý, Học viện Khoa học Công nghệ, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam hướng dẫn sát sao, tận tình PGS.TS Lê Trung Thành TS Nguyễn Thanh Hoàn Tác giả luận án bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thày, người dành nhiều thời gian, tâm sức để hướng dẫn, động viên, hướng dẫn cho tác giả tháo gỡ khúc mắc trình nghiên cứu hoàn thành luận án Tác giả xin bày tỏ lịng biết ơn tới tồn thể cán nghiên cứu, nhà khoa học Viện Địa lý, thày, cô Học viện Khoa học Công nghệ hỗ trợ, động viên tạo điều kiện tốt để tác giả hoàn thành luận án Để có kết nghiên cứu này, tác giả chân thành cảm ơn Ban Chủ nhiệm đề tài cấp Nhà nước mã số: BĐKH.30/16-20 hỗ trợ tư liệu, địa bàn nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu Xin cảm ơn Lãnh đạo Trường Quốc tế đồng nghiệp tạo điều kiện để tác giả có thời gian đăng ký học nghiên cứu sinh hoàn thành chương trình đào tạo nghiên cứu sinh Cuối cùng, tác giả cảm ơn gia đình, bạn bè động viên, giúp đỡ vật chất tinh thần để tác giả hồn thành luận án Hà Nội, ngày tháng 10 năm 2023 Tác giả luận án Nguyễn Anh Tuấn iii Một số kí hiệu viết tắt Stt Ký hiệu Ý nghĩa AI API ARPANET AVR Bộ NN&PTNT BS CH Cloud Server 10 CSDL DARPA 11 API Artificial intelligence (trí tuệ nhân tạo) Application Programming Interface (Giao diện lập trình ứng dụng phương thức, giao thức kết nối với thư viện ứng dụng khác) Advanced Research Projects Agency Network đầu gói chuyển mạch mạng mạng để thực giao thức TCP / IP Automatic Voltage Regulator hệ thống tự động điều khiển điện áp đầu cực máy phát điện Bộ Nông nghiệp Phát triển nông thôn Base station: trạm gốc thiết bị thông tin vô tuyến và/ phụ trợ dùng vị trí cố định cấp điện trực tiếp gián tiếp Cluster head node cụm trưởng mạng cảm biến không dây Cloud Server dịch vụ lưu trữ quản lý máy chủ tảng đám mây Cơ sở liệu Defense Advanced Research Projects Agency Cơ quan Chỉ đạo Dự án Nghiên cứu Quốc phòng Tiên tiến Mỹ Application Programming Interface - Giao diện lập trình kết nối ứng dụng iv Stt Ký hiệu Ý nghĩa 12 Data Logger 13 14 DEM RDBMS 15 FAO 16 FORTRAN 17 GIS 18 GPS 19 GSM 20 GUI 21 22 GW HEC-HMS 23 HRU 24 IEEE 25 26 IoT IWRM 27 MIKE-NAM Data logger công nghệ phổ biến việc lưu trữ truyền thông tin liệu Digital Elevation Model - mơ hình số độ cao (Relational Database Management System) có nghĩa hệ quản trị sở liệu quan hệ Food and Agriculture Organization of the United Nations Tổ chức lượng thực nông nghiệp Liên hợp quốc Là ngôn ngữ lập trình biên dịch, tĩnh, kiểu mệnh lệnh dùng để xử lý liệu Geographic Information Systems - hệ thống thông tin địa lý Global Positioning System - hệ thống định vị toàn cầu Global System for Mobile Communications Hệ thống thơng tin di động tồn cầu Graphical User Interface - Giao diện đồ họa người dùng Ground Water - Nước ngầm Là mơ hình tốn thuỷ văn dùng để tính dịng chảy từ số liệu đo lượng mưa lưu vực Hydrological Response Unit đơn vị đồng mặt thủy văn Institute of Electrical and Electronics Engineers - Viện Kỹ sư điện điện tử Internet of Things - Internet vạn vật Integrated Water Resources Management Quản lý tổng hợp tài ngun nước Là mơ hình thủy văn dạng bể chứa dùng để tính tốn dịng chảy từ mưa v Stt Ký hiệu Ý nghĩa 28 MMI 29 30 31 MRR MySQL MZI 32 OSI 33 QUAL2E 34 RFID 35 Router 36 37 38 RS Runoff SCS 39 SDGs 40 SOI 41 42 SPW SWAT 43 UAV 44 UTM 45 WEAP Multimode Interference - Cấu trúc giao thoa đa mode Microring Resonators - Bộ vi cộng hưởng Là phần mềm quản trị sở liệu Mach-Zehnder interferometer - Giao thoa kế Mach-Zehnder Open Systems Interconnection - Mơ hình tham chiếu kết nối hệ thống mở Là mơ hình chất lượng nước sơng dịng chảy Radio Frequency Identification - cơng nghệ dùng kết nối sóng vơ tuyến để tự động xác định theo dõi thẻ nhận dạng gắn vào vật thể Bộ định tuyến thiết bị mạng có chức chuyển tiếp gói liệu mạng máy tính Remote Sensing - Cơng nghệ viễn thám Dịng chảy bề mặt Soil Conservation System - phương pháp đường cong sử dụng mơ hình SWAT để đánh giá dịng chảy ứng với loại đất tính chất đất Sustainable Development Goals - mục tiêu phát triển bền vững Liên hợp quốc Silicon on Insulator - công nghệ silicon chất cách điện Surface plasmon wave - sóng plasmon bề mặt Soil and Water Assessment Tool - phần mềm công cụ đánh giá đất nước Unmanned Aerial Vehicle - Một loại phương tiện bay không người lái Universal Transverse Mercator - phép chiếu đồ Việt Nam cịn gọi phép chiếu hình trụ Là mơ hình tính tốn cân nước vi Stt Ký hiệu Ý nghĩa 46 47 48 Web Clients Web Servers WebGIS 49 WINS 50 WMO 51 WSN 52 WYLD Máy khách Web Máy chủ Web Hệ thống thông tin địa lý hoạt động tảng Web Wireless Integrated Network Sensors - cảm biến mạng khơng dây tích hợp World Meteorological Organization, viết tắt tên tiếng Anh WMO) tổ chức chun mơn khí tượng Liên Hợp quốc Wireless Network Sensors - Mạng cảm biến không dây Water Yield lượng nước từ đơn vị đồng thủy văn (HRU) lưu vực tính mơ hình SWAT vii Mục lục Lời cảm ơn ii Một số kí hiệu viết tắt iii Danh sách hình vẽ x Danh sách bảng xiii Mở đầu Chương Cơ sở khoa học phương pháp nghiên cứu tích hợp hệ cảm biến hệ thống thơng tin địa lý phục vụ quản lý tài nguyên môi trường nước lưu vực sông 1.1 Tổng quan số khái niệm 1.2 Tổng quan cơng trình nghiên cứu tích hợp hệ cảm biến hệ thống thông tin địa lý phục vụ quản lý tài nguyên môi trường nước lưu vực sông 1.2.1 Trên giới 1.2.2 Ở Việt Nam 1.2.3 Ở khu vực nghiên cứu 1.3 Phương pháp nghiên cứu 1.3.1 Phương pháp khảo sát thực địa 1.3.2 Phương pháp sử dụng công nghệ GIS mơ hình hóa 1.3.3 Phương pháp thiết kế hệ cảm biến không dây 1.3.4 Phương pháp lập trình tích hợp hệ thống 1.4 Tiểu kết chương 18 18 23 26 28 30 30 31 32 33 Chương Ứng dụng hệ thống thông tin địa lý mơ hình hóa mơ chế độ dịng chảy lưu vực sông Nhuệ - Đáy 2.1 Đặc điểm lưu vực sông Nhuệ - Đáy 35 35 viii 2.2 Lựa chọn mơ hình SWAT 2.2.1 Tổng quan mơ hình SWAT 2.2.2 Mơ dịng chảy SWAT 2.3 Ứng dụng GIS xử lý liệu đầu vào cho mơ hình 2.3.1 Yêu cầu liệu đầu vào cho mơ hình SWAT 2.3.2 Dữ liệu địa hình (mơ hình số độ cao, DEM) 2.3.3 Dữ liệu thổ nhưỡng 2.3.4 Dữ liệu sử dụng đất 2.3.5 Dữ liệu khí tượng thủy văn 2.3.6 Các yêu cầu chuẩn hóa liệu 2.4 Thiết lập hiệu chỉnh mơ hình 2.4.1 Q trình thành lập mơ hình 2.4.2 Hiệu chỉnh kiểm chứng mơ hình 2.4.3 Tính tốn lưu lượng dịng chảy thành lập đồ tài nguyên nước cho lưu vực sông Nhuệ-Đáy 2.5 Tiểu kết chương 38 39 44 48 48 50 52 54 56 59 59 59 63 67 70 Chương Nghiên cứu thiết kế hệ thống tích hợp mạng cảm biến khơng dây mơ hình hóa tảng WebGIS phục vụ quản lý tài nguyên môi trường 3.1 Thiết kế kiến trúc hệ thống WebGIS tích hợp liệu từ mạng cảm biến khơng dây mơ hình hóa 3.1.1 Thiết kế kiến trúc vật lý hệ thống 3.1.2 Thiết kế kiến trúc logic hệ thống 3.1.3 Thiết kế sở liệu hệ thống 3.1.4 Chuẩn hóa sở liệu 3.2 Thiết kế hệ cảm biến quan trắc số thông số khí tượng, thủy văn tích hợp vào cho mơ hình 3.2.1 Thiết kế hệ cảm biến tích hợp sử dụng công nghệ Zigbee bo mạch Arduino 3.2.2 Thiết kế nút điều phối 3.2.3 Thiết kế nút cảm biến 3.2.4 Nguyên lý xử lý liệu hệ cảm biến 72 73 73 74 76 83 85 85 86 88 89